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1、半导体物理第七章半导体物理第七章现在学习的是第1页，共35页7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.1 金属和半导体的功函数l金属功函数金属功函数l金属功函数随原子序数的递增呈现周期金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化，功函数的大小显示出金属中电性变化，功函数的大小显示出金属中电子离开金属表面成为自由电子的难以程子离开金属表面成为自由电子的难以程度，功函数大的金属稳定性也较强。度，功函数大的金属稳定性也较强。mFmEEW)(0现在学习的是第2页，共35页l半导体功函数半导体功函数l电子亲和能电子亲和能 故故 其中其中0sFsWEEcEE 0nsFcsEEEW)()ncFsEEE7.1 金属
2、半导体接触及其能级图7.1.1 金属和半导体的功函数现在学习的是第3页，共35页7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差金属与金属与n n型半导体接触为例（型半导体接触为例（WmWsWmWs）l接触前接触前现在学习的是第4页，共35页7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和半导体间距离金属和半导体间距离D D远大于原子间距，电势远大于原子间距，电势差主要落在界面间隙中。差主要落在界面间隙中。l Vms Vms是由于接触而产生的电是由于接触而产生的电 势差，称为势差，称为接触电势差接触电势差。 qWWVVVmssmms+- - - - - =WM-WS半导体表
3、半导体表面出现空面出现空间电荷区间电荷区现在学习的是第5页，共35页7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l随着随着D D的减小，电势差同时落在两界面间及半导体的减小，电势差同时落在两界面间及半导体表面的空间电荷区内。表面的空间电荷区内。smsmsVVqWWV VS S是半导体表面与内部之间存是半导体表面与内部之间存在的电势差，即为在的电势差，即为表面势表面势。半导体表半导体表面出现空面出现空间电荷区间电荷区电场电场现在学习的是第6页，共35页7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l若若D D小到可以与原子间距相比较，电势差全部落在小到可以与原子间距相比较，电势
4、差全部落在半导体表面的空间电荷区内。半导体表面的空间电荷区内。DsmsVVqWW电场电场=-qV=-qVS SV VS0SWsn型阻挡层）7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差E空间电荷区空间电荷区电场及表面势电场及表面势能带情况能带情况接触类型接触类型电场电场V VS0S0现在学习的是第8页，共35页7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和n型半导体接触（Wm0S0现在学习的是第9页，共35页7.1 金属半导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和p型半导体接触（WsWmp型阻挡层）电场电场V VS0S0现在学习的是第10页，共35页7.1 金属半
5、导体接触及其能级图7.1.2 接触电势差l金属和p型半导体接触（WmWsp型反阻挡层）电场电场V VS0S0V0 若金属接电源正极，若金属接电源正极，n n型半导体接电源负极，则外加电压主型半导体接电源负极，则外加电压主要降落在阻挡层上，外电压方向由金属指向半导体，外加电压要降落在阻挡层上，外电压方向由金属指向半导体，外加电压方向和接触表面势方向方向和接触表面势方向( (半导体表面空间电荷区内电场半导体表面空间电荷区内电场) )相反，相反，使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。使势垒高度下降，电子顺利的流过降低了的势垒。从半导体流从半导体流向金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成
6、从金向金属的电子数超过从金属流向半导体的电子数，形成从金属流向半导体的正向电流。属流向半导体的正向电流。现在学习的是第18页，共35页7.2 金属半导体接触整流理论7.2.1 金属半导体接触整流特性内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向现在学习的是第19页，共35页7.2 金属半导体接触整流理论7.2.1 金属半导体接触整流特性l（3 3）V0V0V0时，若时，若qVkqVk0 0T T，则，则l当当V0Vk|qV|k0 0T T，则，则l该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如该理论是用于迁移率较小，平均自由程较短的半导体，如氧化亚铜。氧化亚铜。)exp(0TkqVJJsDsDJ
7、J现在学习的是第23页，共35页7.2 金属半导体接触整流理论7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程l热电子发射理论热电子发射理论l当当n n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起作用的是型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒宽度。起作用的是势垒高度而不是势垒宽度，电流的计算归结为超越势垒的载流子势垒高度而不是势垒宽度，电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。数目。l假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，假定，由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常数。故半导体内的电子浓度可以视为常数。l讨论非简并半导体的情况。讨论非简并半导
8、体的情况。 现在学习的是第24页，共35页7.2 金属半导体接触整流理论7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程l针对针对n n型半导体，电流密度型半导体，电流密度*20exp()nssTqJA Tk T0exp() 1sTqVJJk T其中理查逊常数其中理查逊常数320*4hkqmAnGeGe、SiSi、GaAsGaAs有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由程，因有较高的载流子迁移率，有较大的平均自由程，因此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。此在室温下主要是多数载流子的热电子发射。现在学习的是第25页，共35页l两种理论结果表示的阻挡层电流与外加电压变化关系基本一两种理论结果表示的阻挡
9、层电流与外加电压变化关系基本一致，体现了电导非对称性致，体现了电导非对称性正向电压，电流随电压指数增正向电压，电流随电压指数增加；反向电压，电流基本不随外加电压而变化加；反向电压，电流基本不随外加电压而变化lJ JSDSD与外加电压有关；与外加电压有关；J JSTST与外加电压无关，强烈依赖温度与外加电压无关，强烈依赖温度T T。当温度一定，当温度一定，J JSTST随反向电压增加处于饱和状态，称之为反向饱随反向电压增加处于饱和状态，称之为反向饱和电流。和电流。7.2 金属半导体接触整流理论7.2.2 金属半导体整流接触电流电压方程现在学习的是第26页，共35页7.2 金属半导体接触整流理论7
10、.2.3 肖特基势垒二极管 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管利用金属利用金属- -半导体整流接触特性制成的二半导体整流接触特性制成的二极管。极管。l与与pnpn结的相同点结的相同点： l单向导电性单向导电性 。l与与pnpn结的不同点结的不同点：lpnpn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流, ,有显著的电荷存储有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好；入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好；l肖特基二极管肖特
11、基二极管JsDJsD和和JsTJsT比比pnpn结反向饱和电流结反向饱和电流JsJs大得多，因此大得多，因此对于同样的使用电流，肖特基二极管有较低的正向导通电压对于同样的使用电流，肖特基二极管有较低的正向导通电压。现在学习的是第27页，共35页7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入ln n型阻挡层，体内电子浓度为型阻挡层，体内电子浓度为n n0 0，接触面，接触面处的电子浓度是处的电子浓度是l电子的阻挡层就是空穴积累层。在势垒电子的阻挡层就是空穴积累层。在势垒区，空穴的浓度在表面处最大。体内空区，空穴的浓度在表面处最大。体内空穴浓度为穴浓度为p p0 0，则表面浓度为，
12、则表面浓度为)exp()0(00TkqVnnD)exp()0(00TkqVppD现在学习的是第28页，共35页l平衡时，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂移运动相等，净电平衡时，空穴的扩散运动和由于内电场产生的漂移运动相等，净电流为零。流为零。l加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子流以外，加正压时，势垒降低，除了前面所提到的电子形成的电子流以外，空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导体内部的空穴流，形成的空穴的扩散运动占优，形成自金属向半导体内部的空穴流，形成的电流与电子电流方向一致，因此总的正向电流包含电子流和少数载电流与电子电流方向一致，因此总的正向电流包含电子流和少数载流子空
13、穴流。流子空穴流。l空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴电流大小，取决于阻挡层的空穴浓度空穴浓度和和空穴进入半导体内空穴进入半导体内扩散的效率扩散的效率。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入现在学习的是第29页，共35页l平衡时，如果接触面处有平衡时，如果接触面处有l此时若有外加电压，空穴电流的贡此时若有外加电压，空穴电流的贡献就很重要了。献就很重要了。)()0(FcvFEEEE7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入现在学习的是第30页，共35页l加正电压时，势垒两边界加正电压时，势垒两边界处的电子浓度将保持平衡处的电子浓度将保持平衡值，而空穴先在
14、阻挡层内值，而空穴先在阻挡层内界形成积累，然后再依靠界形成积累，然后再依靠扩散运动继续进入半导体扩散运动继续进入半导体内部。内部。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入现在学习的是第31页，共35页7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入l综上，综上，在金属和在金属和n n型半导体的整流接触上加正向电压时，就有型半导体的整流接触上加正向电压时，就有空穴从金属流向半导体，这种现象称为空穴从金属流向半导体，这种现象称为少数载流子的注入少数载流子的注入。l加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称为少数载流子的注加正向电压时，少数载流子电流与总电流值比称
15、为少数载流子的注入比，用入比，用表示。对表示。对n n型阻挡层而言型阻挡层而言2*20/()expiPPpPPnnPnSDqnJDJJJJJJLqN A Tk T现在学习的是第32页，共35页7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触l欧姆接触欧姆接触l金属与半导体形成的非整流接触，这种接触不产生明金属与半导体形成的非整流接触，这种接触不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。浓度发生显著的变化。l实现实现 l反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料一般都有很高反阻挡层没有整流作用，但由于常见半导体材料
16、一般都有很高的表面态密度，因此很难用选择金属材料的办法来获得欧姆接的表面态密度，因此很难用选择金属材料的办法来获得欧姆接触。触。 现在学习的是第33页，共35页l重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通重掺杂的半导体与金属接触时，则势垒宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电过隧道效应贯穿势垒产生大隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。流而成为电流的主要成分，即可形成接近理想的欧姆接触。 常常是在常常是在n型或型或p型半导体上制作一层重掺杂区域后再与金属接型半导体上制作一层重掺杂区域后再与金属接触，形成金属触，形成金属-n n或金属或金属-p p型结构。型结构。7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触+现在学习的是第34页，共35页l接触电阻：零偏压下的微分电阻接触电阻：零偏压下的微分电阻l把导带底把导带底E Ec c选作电势能的零点，可得选作电势能的零点，可得l电子势垒电子势垒l令令y=dy=d0 0-x-x，则，则10)(VcVIR200)(2)(dxqNxVrD7.3 少数载流子的注入和欧姆接触7.3.2 欧姆接触2002)(2)(dxNqxqVrD220( )2Drq NqV yy 现在学习的是第35页，共35页